模擬式相序檢測(cè)電路在線路保護(hù)測(cè)控裝置電流采集回路中的應(yīng)用

何銀康 嚴(yán)相濱

【摘? 要】線路保護(hù)測(cè)控裝置電流采集端子接線錯(cuò)誤，從而使監(jiān)控系統(tǒng)得到錯(cuò)誤的線路參數(shù)或使保護(hù)誤動(dòng)、拒動(dòng)，將對(duì)線路運(yùn)行造成重大隱患。本文從空天饋線保護(hù)測(cè)控裝置功率顯示錯(cuò)誤的現(xiàn)象入手，結(jié)合PT和CT變比、相序、保護(hù)測(cè)控裝置運(yùn)行狀況、監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置等因素，并與同一母線正常回路相比較，著重考慮故障時(shí)有功功率和無(wú)功功率的計(jì)算值與顯示值存在3倍關(guān)系的這一核心問(wèn)題，經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，做出了保護(hù)測(cè)控裝置A相電流輸入輸出端子接反的結(jié)論，并圍繞此結(jié)論進(jìn)行了一系列兼具保護(hù)測(cè)量裝置功率計(jì)算算法、模擬式相序檢測(cè)電路設(shè)計(jì)以及相序檢測(cè)電路在保護(hù)測(cè)控裝置上的應(yīng)用等在內(nèi)的分析研究過(guò)程。

【關(guān)鍵詞】模擬式相序檢測(cè)電路;三瓦法;數(shù)字移相法;離散采樣;電磁隔離電路

引言

線路保護(hù)測(cè)控裝置在電力系統(tǒng)中有著非常重要的地位，它是集線路保護(hù)、參數(shù)測(cè)量、與監(jiān)控系統(tǒng)通信等功能于一體的自動(dòng)化裝置，相當(dāng)于運(yùn)行值班人員散布于現(xiàn)場(chǎng)的眼睛。保護(hù)測(cè)控裝置參數(shù)測(cè)量的正確與否，直接關(guān)系到電力線路的運(yùn)行安全性。電流回路接線錯(cuò)誤將直接導(dǎo)致保護(hù)測(cè)量裝置對(duì)功率的計(jì)算結(jié)果，由此帶來(lái)的危害性很大，主要表現(xiàn)在兩方面：第一，由于非電能結(jié)算性質(zhì)的電能統(tǒng)計(jì)是對(duì)統(tǒng)計(jì)區(qū)間內(nèi)功率的積分得到的，因此電流回路接線錯(cuò)誤將造成電能統(tǒng)計(jì)錯(cuò)誤。第二，不能正確地反映電力系統(tǒng)的功率分布情況和線路運(yùn)行狀態(tài)，使運(yùn)行人員不能正確、及時(shí)地掌握系統(tǒng)運(yùn)行情況。因此，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和預(yù)防此類故障，可防止線路嚴(yán)重事故的發(fā)生。為了能及時(shí)有效的發(fā)現(xiàn)保護(hù)測(cè)控裝置電流采集回路接線錯(cuò)誤，就要采取技術(shù)手段對(duì)三相電流相序進(jìn)行檢測(cè)，保證其正確性，本文就模擬式相序檢測(cè)電路在保護(hù)測(cè)控裝置電流采集回路中的應(yīng)用做了進(jìn)一步的分析探討。

1.案例及其分析

1.1案例及其現(xiàn)象

2018年3月20日20時(shí)許，監(jiān)盤人員發(fā)現(xiàn)，接于我廠空分空壓變電所10kvⅠ段母線并于當(dāng)日正式送電運(yùn)行的空天饋線，其回路有功功率P、無(wú)功功率Q與同一母線上具有相近電流值的其他饋線存在很大差異，用空分空壓變電所10kvⅠ段母線進(jìn)線處的有功功率P總=3.48MW、無(wú)功功率Q總=1.69MVar分別減去該母線上除去空天饋線外的所有饋線的有功功率之和P∑=2.95MW與無(wú)功功率之和Q∑=1.4259MVar所得到的空天饋線有功功率P計(jì)算=530KW，無(wú)功功率Q計(jì)算=246.1KVar，P計(jì)算與Q計(jì)算的數(shù)值皆為該饋線測(cè)控裝置顯示值（P顯=172.72kw，Q顯=86.36kvar）的3倍。從而可以得到空天回路有功功率和無(wú)功功率計(jì)算值分別是其顯示值的3倍這一結(jié)論。

1.2案例分析

經(jīng)運(yùn)行人員在現(xiàn)場(chǎng)檢查確認(rèn)和計(jì)算分析，空天回路保護(hù)測(cè)控裝置上的電流、電壓顯示值均正確無(wú)誤，保護(hù)測(cè)控裝置無(wú)任何故障指示、后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置也都正確。一時(shí)間，問(wèn)題似乎沒(méi)有了答案。

為了弄清顯示出現(xiàn)錯(cuò)誤的原因，我們不妨先來(lái)了解一下空天回路使用的保護(hù)測(cè)控裝置功率計(jì)算方法。

保護(hù)測(cè)控裝置的有功功率、無(wú)功功率計(jì)算采用三瓦法，三瓦法的有功功率計(jì)算表達(dá)式為：

（1式）

式中，、、分別為A、B、C三相電壓瞬時(shí)值，、、分別為A、B、C三相電流瞬時(shí)值，T為被測(cè)交流電量的周期。

現(xiàn)代保護(hù)測(cè)控裝置均采用離散的電流、電壓采樣值進(jìn)行功率計(jì)算，此時(shí)1式對(duì)應(yīng)的表達(dá)式就變?yōu)椋?/p>

（2式）

對(duì)應(yīng)離散采樣值數(shù)字移相算法的無(wú)功功率計(jì)算表達(dá)式為：

（3式）

2式、3式中N為電流、電壓一個(gè)周波內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)，n為每周波N個(gè)采樣點(diǎn)中的第n個(gè)采樣點(diǎn)。

由2式、3式可知保護(hù)測(cè)控裝置對(duì)三相正弦交流電路的功率測(cè)量是采用分相求和的計(jì)算方法，由于正常運(yùn)行時(shí)三相電路處于對(duì)稱狀態(tài)，三相功率數(shù)值基本相等，假設(shè)其中任意一相的功率值出現(xiàn)負(fù)值，那么該相的數(shù)值會(huì)與其他兩正常相當(dāng)中的任一相數(shù)值相抵消，此時(shí)，三相總功率的值就等于一相功率的值，這一推斷與上面所述“空天回路有功功率和無(wú)功功率計(jì)算值分別是其顯示值的3倍”這一結(jié)論相吻合。按照這一思路，運(yùn)行人員對(duì)保護(hù)測(cè)控裝置的電流、電壓輸入回路及電流與電壓的相位進(jìn)行檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，三相電壓與對(duì)應(yīng)相的電流夾角為

由此可見(jiàn)，是A相電流反相，造成、的數(shù)值為負(fù)。進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)是保護(hù)測(cè)控裝置A相電流輸入輸出端子接反。當(dāng)把A相電流輸入輸出端子調(diào)換后，測(cè)控裝置顯示值恢復(fù)正常。

相同的案例我廠在2015年10月時(shí)也曾發(fā)生過(guò)一起，可見(jiàn)保護(hù)測(cè)量裝置因?yàn)殡娏骰芈方泳€錯(cuò)誤造成的功率測(cè)量顯示錯(cuò)誤現(xiàn)象在工業(yè)企業(yè)發(fā)生頻率較高，給電能計(jì)量、功率分布觀測(cè)、系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)視等工作帶來(lái)諸多不便，針對(duì)此類問(wèn)題使三相電流相序發(fā)生改變的這一特點(diǎn)，如果能在保護(hù)測(cè)控裝置電流二次回路中加裝相序檢測(cè)電路，對(duì)輸入保護(hù)測(cè)控裝置的三相電流進(jìn)行相序檢測(cè)，并在相序發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)發(fā)出報(bào)警，這樣就可以有效的防止上述問(wèn)題的發(fā)生。

2.模擬式相序檢測(cè)電路在保護(hù)測(cè)控裝置上的應(yīng)用

2.1模擬式相序檢測(cè)電路原理

模擬式相序檢測(cè)電路原理如圖一所示

圖一

為了便于電路分析，我們把燈HL1和HL2的電路拆分成兩個(gè)相互獨(dú)立的電路，分別對(duì)其進(jìn)行分析，拆分后的兩部分電路和其等效電路如圖二和圖三所示：

圖二及其等效電路

圖三及其等效電路

對(duì)圖二等效電路中A點(diǎn)運(yùn)用彌爾曼定理求解電勢(shì)，可得

（4式）

對(duì)圖三等效電路中點(diǎn)運(yùn)用彌爾曼定理求解電勢(shì)，可得

（5式）

為方便描述，令=? ? ?令=。

對(duì)4式、5式進(jìn)行分析可知，當(dāng)輸入電壓相序?yàn)檎嘈驎r(shí)，在圖二中，為超前向量α角度的一個(gè)向量，如圖四所示，如果調(diào)整與的值，使其滿足=且，那么，將與/等大反向，=0，燈HL1（可將其標(biāo)注為相序錯(cuò)誤指示燈）不亮。而在5式中，為超前向量α角度的一個(gè)向量，如圖五所示，如果調(diào)整與的值，使其滿足=且，那么，與/的夾角將變?yōu)?，為與/的向量和，燈HL2（可將其標(biāo)注為相序正確指示燈）將在的作用下發(fā)光，指示相序正確。

圖四? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖五

當(dāng)輸入電壓相序?yàn)樨?fù)相序（假如為A相電壓接反）時(shí)，在圖二中，如果繼續(xù)保持=且這一關(guān)系不變，那么，將與/等大同向，如圖六所示，=/，燈HL1（可將其標(biāo)注為相序錯(cuò)誤指示燈）發(fā)亮，指示相序錯(cuò)誤。而在圖三中，如果也繼續(xù)保持=且這一關(guān)系不變，那么，與/的夾角將變?yōu)?，如圖七所示，為與/的向量和，但這一電壓較小，只要合理選取燈HL2（可將其標(biāo)注為相序正確指示燈）則可保證HL2在的作用下不發(fā)光。

圖六? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖七

2.2保護(hù)測(cè)控裝置二次電流輸入回路

保護(hù)測(cè)控裝置二次電流輸入回路原理圖如圖八所示，裝置所需電壓采自母線PT二次側(cè)，分別從裝置209、210、211、212四個(gè)端子引入三相電壓和PT二次繞組公共線，電壓引入后經(jīng)電磁隔離進(jìn)入裝置內(nèi)部作進(jìn)一步的高頻開(kāi)關(guān)采樣、量化、編碼等處理。裝置所需電流采自饋線首段的測(cè)量CT二次側(cè)，經(jīng)裝置201、202、203、204、205、206、207、208端子引入三相電流和零序電流，引入裝置后經(jīng)電磁隔離進(jìn)入裝置內(nèi)部作進(jìn)一步的高頻開(kāi)關(guān)采樣、量化、編碼處理。

圖八

2.3模擬式相序檢測(cè)電路與保護(hù)測(cè)控裝置二次電流回路的結(jié)合

2.3.1模擬式相序檢測(cè)電路的信號(hào)采集方式

由模擬式相序檢測(cè)電路可知，該電路是通過(guò)采集三相電壓信號(hào)來(lái)工作的，它不能直接采用電流信號(hào)來(lái)檢測(cè)相序的正確與否，因此，必須將保護(hù)測(cè)控裝置所用的CT二次電流轉(zhuǎn)換為與自身同相位的電壓信號(hào)后，才能供模擬式相序檢測(cè)電路使用。這里我們采用本裝置自身所用的電磁隔離電路來(lái)實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)和電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換，為了提高轉(zhuǎn)換效率，電磁隔離電路二次側(cè)的電阻R要采用高阻值電阻，然后從該電阻兩端引出相序檢測(cè)電路所需電壓信號(hào)。

2.3.2模擬式相序檢測(cè)電路的信號(hào)采集位置

模擬式相序檢測(cè)電路的信號(hào)采集位置可以有三種，下面就每種的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，然后決定采用哪種。

首先，可以將電流信號(hào)與電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換的位置放在保護(hù)測(cè)控裝置外部的二次電流導(dǎo)線上，這樣可以不改動(dòng)保護(hù)測(cè)控裝置而輕易地實(shí)現(xiàn)目的。乍一看是個(gè)不錯(cuò)的方案，但細(xì)細(xì)想來(lái)，這一方案缺點(diǎn)很多。第一，為感應(yīng)出電壓信號(hào)，在二次電流回路中就必須增加電感線圈作為電磁隔離電路的一次繞組，這樣就增大了CT二次回路的電抗，對(duì)CT測(cè)量精度造成影響，同時(shí)增大了CT二次回路斷線的可能性。第二，即使模擬式相序檢測(cè)電路相序檢測(cè)指示正確，但由于存在著保護(hù)測(cè)控裝置電流引入端子接線錯(cuò)誤的可能，因此，它不能從根本上保證所檢測(cè)相序與保護(hù)測(cè)量裝置所用相序的一致性，該方案被淘汰！

其次，可以將電流信號(hào)與電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換的位置放在保護(hù)測(cè)控裝置電流引入的端子處，這樣做也可以不改動(dòng)保護(hù)測(cè)控裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)而輕易地實(shí)現(xiàn)目的，改造工作量也較小。缺點(diǎn)是：第一，在同相電流的輸入和輸出端子上并接用于感應(yīng)電壓的線圈作為電磁隔離電路的一次繞組，對(duì)進(jìn)入保護(hù)裝置的電流起到了分流作用，導(dǎo)致測(cè)量精度下降。第二，增加了保護(hù)測(cè)控裝置電流采集端子的負(fù)荷，可能使端子損壞，導(dǎo)致CT二次回路斷線。因此該方案也不可行。

最后，是將電流信號(hào)與電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換的位置放在保護(hù)測(cè)控裝置內(nèi)部電磁隔離電路的二次側(cè)，也就是在電磁隔離電路的二次繞組旁邊再增加一組繞組，從一次側(cè)感應(yīng)電壓，然后送往模擬式相序檢測(cè)電路。這樣可以做到所檢相序即為保護(hù)測(cè)控裝置所用相序，保證了相序檢測(cè)電路檢測(cè)結(jié)果的真實(shí)可靠性，同時(shí)，不會(huì)對(duì)電流二次回路造成不利影響，對(duì)測(cè)量精度也無(wú)影響。缺點(diǎn)是，要對(duì)裝置內(nèi)部進(jìn)行改動(dòng)，實(shí)施難度較大。但這一問(wèn)題是可以通過(guò)廠家的設(shè)計(jì)、制造來(lái)解決的。所以綜合分析下來(lái)應(yīng)采用該方案。

2.3.3模擬式相序檢測(cè)電路與保護(hù)測(cè)控裝置二次電流回路的結(jié)合

模擬式相序檢測(cè)電路與保護(hù)測(cè)控裝置二次電流回路結(jié)合后的原理如圖九所示：

圖九

、、為經(jīng)電磁隔離電路轉(zhuǎn)換后電壓信號(hào)，它與對(duì)應(yīng)相的二次電流同相位，將、、任意引出兩相（本文引出、兩相）接至模擬式相序檢測(cè)電路的A、C兩相接口，同時(shí)，再?gòu)碾姶鸥綦x電路二次繞組中性點(diǎn)公共線上引出一路，作為模擬式相序檢測(cè)電路的中點(diǎn)O。、、三相信號(hào)任然輸入保護(hù)測(cè)控裝置內(nèi)部，作為電流信號(hào)供裝置采集。

3.全文總結(jié)

電力回路中電流、電壓的采集情況關(guān)系到功率在監(jiān)控系統(tǒng)畫(huà)面上顯示的正確與否，從而影響運(yùn)行值班人員對(duì)系統(tǒng)功率分布、線路或設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的掌握以及非電量結(jié)算的電能統(tǒng)計(jì)，同時(shí)，如果接線錯(cuò)誤發(fā)生在保護(hù)CT回路，那么還有可能可能導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)現(xiàn)象的發(fā)生，給電力系統(tǒng)帶不可預(yù)估的重大損失。因此，為了有效地預(yù)防此類事件的發(fā)生，本文從以下幾個(gè)方面開(kāi)展研究工作，以形成完備可靠的技術(shù)檢測(cè)措施：

（1）以實(shí)際案例為導(dǎo)向，深入分析研究造成故障現(xiàn)象的根本原因，全面掌握自動(dòng)化保護(hù)測(cè)量裝置功率計(jì)算方法。

（2）全面、深入地分析解讀模擬式相序檢測(cè)電路，利用相序不同造成的兩個(gè)“Y”型負(fù)載回路中性點(diǎn)電壓不同，使不同回路燈泡發(fā)光的原理，對(duì)進(jìn)入保護(hù)測(cè)控裝置內(nèi)部參與功率計(jì)算的電流進(jìn)行相序檢測(cè)。

（3）對(duì)保護(hù)測(cè)控裝置的電流采集回路進(jìn)行研究，在考慮電流互感器二次回路斷線、裝置測(cè)量精度、實(shí)現(xiàn)方式的難易等因素后，找出模擬式相序檢測(cè)電路在保護(hù)測(cè)控裝置上的應(yīng)用方案。

同時(shí)，也希望從以下兩個(gè)方面入手，進(jìn)一步提高設(shè)備安裝、接線過(guò)程中的正確率。

（1）加強(qiáng)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)管理，做好導(dǎo)線頭上的標(biāo)識(shí)工作，防止線頭接錯(cuò)。

提高作業(yè)人員素質(zhì)、增強(qiáng)施工人員責(zé)任意識(shí)，培養(yǎng)他們認(rèn)真細(xì)致的工作態(tài)度和工作完成后的檢查確認(rèn)習(xí)慣。

（作者單位：神華榆林能源化工有限公司）